KR101145654B1 - Gas metal buried arc welding of lap-penetration joints - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 겹치기 침투 접합의 용접에 관한 것이며, 더 구체적으로는 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접에 관한 것이다.The present invention relates to welding of overlap penetration joints, and more particularly to gas metal buried arc welding of overlap penetration junctions.
금속 구성요소(부재)의 가스금속 아크 용접은 토치의 소모성 금속 전극에 전류를 인가하고 전극의 팁과 구성요소의 표면 사이에 아크를 형성하는 것을 필요로 한다. 전극의 금속은 구성요소에 용입 재료로서 용착되고, 전극 및 구성요소의 금속 혼합물을 포함하는 금속의 용융 풀을 형성한다. 용융 금속의 응고시에 용접 접합부가 형성된다. 가스금속 아크 용접은 일반적으로 겹치기 필릿, 티 필릿 및 정방형 맞대기 접합과 같은 비교적 얇은(1 mm - 4.5 mm) 구성요소를 접합하기 위하여 사용된다. 도 1은 금속 전극(8)으로부터 아크가 만들어져서 두개의 구성요소(2, 4) 사이에 정방형 맞대기 접합의 가스금속 아크 용접을 개략적으로 도시한 것이다. 아크(6)와 용융 풀(10)의 용접 구역을 지나간 후에 응고되는 용접 비드(12)를 생성하기 위하여 용융 금속 풀(10)은 전극(8)과 구성요소(2, 4) 사이에 형성된다. 이러한 접합(겹치기 필릿 접합, 티 필릿 접합 및 정방형 맞대기 접합)은 전극의 팁(14)과 아크가 용접되는 접합 에지의 ±0.5 mm 내에 측면 방향으로 위치되는 것을 요구한다. 비록 로봇의 이용 및 고정구를 통하여 용접 작업하는 동안 제어를 제공하지만, 전극 아크의 측면 방향 위치가 접합부에 대하여 정확한 것을 보장하기 위하여 여러 가지 기술이 사용되었다.Gas metal arc welding of metal components (members) requires applying a current to the consumable metal electrode of the torch and forming an arc between the tip of the electrode and the surface of the component. The metal of the electrode is deposited on the component as a penetration material and forms a molten pool of metal comprising the electrode and the metal mixture of the component. A weld joint is formed upon solidification of the molten metal. Gasmetal arc welding is commonly used to join relatively thin (1 mm-4.5 mm) components such as overlap fillets, tea fillets and square butt joints. 1 schematically shows a gas metal arc welding of a square butt joint between two
한가지 해결 방안은 치수가 정확한 구성요소와 용접 고정구를 사용하는 것인데, 이것은 용접 공정의 최종적인 비용에 많은 비용을 추가시킨다. 대안으로 또는 추가적으로 부재, 용접 고정구 및/또는 위치결정장치의 치수 공차의 변화뿐만 아니라 접합부에 대한 전극 팁과 아크의 측면 방향 위치의 변화에 의한 에지 또는 에지 위치의 변화를 보상하기 위하여, 토치 및 아크를 접합 에지에 대하여 진동시키는 것이다. 비록 토치를 진동시키는 것이 접합 에지에서의 상당한 변화를 극복하지만, 주요한 단점은 생산성이 현저하게 감소 즉, 진동을 일으키도록 허용하기 위해 용접 이동 속도는 감소된다. 접합/전극 관계를 향상시키기 위한 다른 방법들은 접합부 추적 시스템에 기초한 영상을 이용하는데, 이들 방법의 대부분은 비용이 많이 들고 알루미늄 구성요소에 대해 신뢰성이 떨어지고 유지관리가 어렵다. 촉각 접합부 추적 시스템은 효과적이지만, 예리한 모서리 또는 방향 변화를 수용하거나 다수의 짧은 접합부를 생성하는 것과 같은 삼차원의 조립체를 용접하는데 있어서 제한된 적용성을 갖는다. One solution is to use precisely dimensioned components and welding fixtures, which adds significant cost to the final cost of the welding process. Alternatively or additionally to compensate for variations in dimensional tolerances of members, welding fixtures, and / or positioning devices, as well as changes in edge or edge position due to changes in the lateral position of the electrode tip and arc relative to the junction. Is oscillated with respect to the junction edge. Although vibrating the torch overcomes significant changes at the joining edges, the main disadvantage is that the productivity of the welding is significantly reduced, that is, the welding movement speed is reduced to allow vibrations to occur. Other methods for improving the junction / electrode relationship use images based on junction tracking systems, many of which are expensive, less reliable and difficult to maintain for aluminum components. Tactile junction tracking systems are effective, but have limited applicability in welding three-dimensional assemblies, such as to accommodate sharp edge or direction changes or to create multiple short joints.
게다가, 용접부(용융 금속 풀(10)의)가 적층된 구성요소에 충분한 깊이로 도달하지 못하고 응고시에 하부 구성요소와 용접부가 융합되지 못하기 때문에, 즉 하부 구성요소에 침투하지 못하기 때문에 종래의 방법은 겹치기 침투 접합이 가스금속 아크 용접에 대해 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 비롯, 가스금속 아크 용 접으로 겹치기 침투 접합을 스폿 용접하는 것이 공지되었지만, 이것은 몇몇 이유 때문에 구조적으로 중요하지 않은 접합에 대한 것에 제한되어 사용된다. 짧은 용접 시간, 스폿 용접 동안에 인가되는 불충분한 전류 밀도 및 겹쳐지는 부분 사이의 접합 표면상에 존재하는 표면 산화물을 음극으로 청정하게 할 수 없는 것들의 조합은 불충분한 계면 용접 폭 및 하부 구성요소 내에 제한된 용접 침투 깊이를 갖는 와인컵 형상의 프로파일을 나타내게 된다. 이것은 가스금속 아크 용접된 스폿 용접부를 상대적으로 약하게 하고 피로 하중하에서 내구성에 한계를 나타낸다. In addition, since the weld (of the molten metal pool 10) does not reach the laminated component to a sufficient depth and the lower component and the weld do not fuse at the time of solidification, that is, they do not penetrate into the lower component. The method is known that overlap penetration bonding is not suitable for gas metal arc welding. In addition, spot welding of overlapping penetration joints with gas metal arc welding is known, but this is limited to those for structurally insignificant joints for some reasons. The combination of short welding time, insufficient current density applied during spot welding, and those that cannot catalyze surface oxides present on the joint surface between overlapping portions are limited within insufficient interfacial weld width and underlying components. A wine cup-shaped profile with weld penetration depth is shown. This results in relatively weak gas metal arc welded spot welds and limits their durability under fatigue loading.
가스금속 매립 아크(gas metal buried arc(GMBA)) 용접으로 지칭하는 더욱 깊은 가스금속 아크 용접이 도 2에 도시된 바와 같이 정방형 맞대기 접합에 대하여 달성되었다. 가스금속 매립 아크 용접 방법은 용접 전극을 통과하는 용접 전류가 종래의 가스금속 아크 용접보다 가스금속 매립 아크 용접 방법에서 훨씬 높다는 점에서 종래의 가스금속 아크 용접과 상이하다. 가스금속 매립 아크 용접 방법에서 더 높은 전류 밀도를 나타내며, 이것은 구성요소 안으로 더 깊이 침투하는 더욱 침투력이 높은 조준 아크를 인도한다. 그러나, 지금까지 겹치기 침투 접합의 깊은 가스금속 매립 아크 용접은 달성되지 않았다. Deeper gas metal arc welding, referred to as gas metal buried arc (GMBA) welding, has been achieved for square butt joints as shown in FIG. 2. The gas metal buried arc welding method is different from the conventional gas metal arc welding in that the welding current passing through the welding electrode is much higher in the gas metal buried arc welding method than the conventional gas metal arc welding method. This results in a higher current density in the gas metal buried arc welding method, which leads to a more penetrating aiming arc penetrating deeper into the component. However, so far deep gas metal buried arc welding of overlapping penetration bonding has not been achieved.
본 발명은 소모성 금속 전극과 제1 구성요소의 표면 사이에 아크를 형성하고, 전극으로부터 제1 구성요소로 금속을 용착시키고 제1 구성요소를 통과하여 제2 구성요소내로 뻗은 용융 금속의 풀을 형성하는 것에 의해서 제1 금속 구성요소를 그 아래에 놓인 제2 금속 구성요소에 가스금속 아크 용접하는 것으로 이루어진 겹치기 침투 접합하는 방법을 포함하고 있다. 용융 금속 풀이 용접부로 응고할 때, 두개의 구성요소 사이의 계면에서 용접부의 폭은 적어도 제1 구성요소와 제2 구성요소 중에 얇은 것의 두께와 동일하다. 용접하는 동안, 아크는 제1 구성요소의 두께 내로 적어도 부분적으로 매립되고 접합을 생성하기 위하여 원하는 접합 위치의 방향으로 이동된다. The present invention forms an arc between the consumable metal electrode and the surface of the first component, depositing metal from the electrode to the first component and forming a pool of molten metal extending through the first component and into the second component. Overlapping penetration joining consisting of gas-metal arc welding to a second metal component underlying the first metal component. When the molten metal pool solidifies into the weld, the width of the weld at the interface between the two components is at least equal to the thickness of the thinner of the first and second components. During welding, the arc is at least partially embedded into the thickness of the first component and moved in the direction of the desired joint position to create a joint.
도 1 은 정방형 맞대기 접합의 가스금속 아크 용접에 대한 종래기술의 개략도,1 is a schematic diagram of a prior art for gas metal arc welding of a square butt joint;
도 2 는 정방형 맞대기 접합의 가스금속 매립 아크 용접에 대한 종래기술의 개략도,2 is a schematic diagram of a prior art for gas metal buried arc welding of a square butt joint;
도 3 은 본 발명의 방법에 따른 겹치기 침투 접합의 용접에 대한 측면도,3 is a side view of a weld of overlap penetration joint according to the method of the present invention;
도 4 는 도 3에서 만들어진 접합부의 측면도,Figure 4 is a side view of the junction made in Figure 3,
도 5 는 본 발명을 실행하기 위한 전극 공급 속도, 용접 전류 및 이동 속도의 제안된 조화에 관한 그래프이다.5 is a graph of the proposed match of electrode supply speed, welding current and moving speed for practicing the present invention.
이하의 설명을 위한 "상부", "하부", "좌", "우", "수직", "수평", "위", "아래"의 용어는 본 발명과 관련하여 도면에서의 방향을 의미하는 것이다. 그러나, 본 발명은 명시적으로 나타낸 것 이외에 본 발명의 다양한 변경 및 단계 순서를 상정할 수 있다. 또한, 첨부 도면에 도시되고 이하에 설명되는 특정 장치 및 공정은 본 발명의 예시적인 실시예이다. 그러므로, 여기에 설명된 실시예에 대한 특정 치 수 및 다른 물리적인 특성이 제한하기 위한 것으로 간주되어서는 안된다. The terms "top", "bottom", "left", "right", "vertical", "horizontal", "up", and "down" for the following description mean directions in the drawings in connection with the present invention. It is. However, the present invention may assume various modifications and steps of the present invention in addition to those explicitly shown. In addition, the specific apparatus and processes shown in the accompanying drawings and described below are exemplary embodiments of the present invention. Therefore, certain dimensions and other physical characteristics of the embodiments described herein should not be considered as limiting.
본 발명은 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접 방법을 포함한다. 겹치기 침투 접합의 전술한 가스금속 아크 용접의 문제점(즉, 접합 표면으로부터 표면 산화물을 음극 방식으로 제거할 수 없음, 제한된 침투 및 불충분한 계면 깊이)을 극복하기 위하여, 겹치기 침투 접합은 높은 전력 밀도 프로세스(예를 들면, 레이저 빔, 전자 빔 또는 플라즈마 용접)로 용접된다. 도 3을 참조하면, 제1 금속 구성요소(22)가 제2 금속 구성요소(24)에 접하여 위치된다. 제1 및 제2 구성요소(22, 24)는 도시된 바와 같이 수직 적층으로 또는 다른 배열로 위치될 수 있다. 제1 및 제2 구성요소(22, 24)를 용융시키는 강한 침투 조준 아크(28)를 생성하기 위하여 금속 소모성 전극(26)을 갖는 용접 토치에 고전류(예를 들면, 종래의 가스금속 아크 용접의 150 암페어와 비교하여 350암페어)가 인도된다. 전극(26)의 금속은 또한 구성요소(22, 24)와 함께 용해되어 용융 풀(10)을 만들며, 이 용융 풀은 응고되어 용접 비드(30)가 된다. 아크(28)는 제1 구성요소(22)와 제2 구성요소(24)의 상부를 통하여 침투하고 용해시켜 두개의 구성요소(22, 24) 사이에 용접부(30)를 형성한다. 아크(28)에 의해 유지되는 고전류 밀도는 구성요소(22, 24) 사이의 접합 표면에 존재하는 산화물 층을 관통하여 파괴하고 용해하기에 충분한 전자기력 및 열을 제공하는 것, 적층된 구성요소를 통하여 침투하는 것 및 용융 풀을 강력하게 교반하는 것을 포함하는 다수의 효과를 갖는다. 이 방식에서, 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접은 계면 산화물의 음극 아크 청정 작용이 없는 것을 산화물을 파쇄, 용해 및 슬래그 형태로 용접부 상부로 부유시킴으로써 보상하 는 동시에 원하는 용접부 형상(즉, 침투 및 계면 깊이)을 달성한다. The present invention includes a gas metal buried arc welding method of overlap penetration bonding. In order to overcome the above-mentioned problems of gas-metal arc welding of overlap penetration junctions (ie, it is not possible to remove surface oxides from the junction surface in a negative manner, limited penetration and insufficient interfacial depth), overlap penetration junctions are a high power density process. (E.g., laser beam, electron beam or plasma welding). Referring to FIG. 3, the
도 4를 참조하면, 용접부(30)의 폭과 깊이가 겹치기 침투 접합을 성공적으로 생성하기에 충분한 것을 보장하는 공정 조건하에서 용접부(30)가 만들어진다. 이러한 목적을 위해, 제2 구성요소(24)내로 침투하는 용접부의 침투 깊이(D)는 제2 구성요소(24)를 용해하고 응고시에 용접부와 융합 및/또는 합체하기에 충분하여야 한다. 비교적 얇은 구성요소(1 - 5mm)에 대하여, 제2 구성요소(24)내로 5 - 10% 침투가 적절하다. 또한, 제1 및 제2 구성요소(22, 24) 사이의 계면의 용접부 폭(W)은 적어도 각각의 구성요소(22, 24)중에 얇은 구성요소의 두께(T 또는 t) 정도의 크기가 되어야 한다. 도 4에서, 구성요소(24)가 더 두꺼운 구성요소로 도시되어 있으나, 구성요소(22, 24)가 같은 두께 또는 구성요소(22)가 구성요소(24)보다 얇은 것으로 제한하는 것을 의미하는 것은 아니다. 전극과 아크는 제1 및 제2 구성요소(22, 24) 사이의 원하는 접합 위치의 방향으로 이동된다. 용접은 연속적으로 또는 스티치 용접을 생성하도록 간헐적으로 실행될 수 있다. Referring to FIG. 4, a
본 발명에 따른 겹치기 침투 용접을 위한 적합한 재료는 전극으로서 AA 합금을 사용한 알루미늄 협회(Aluminum Association(AA))의 알루미늄 합금의 구성요소이다. 두개의 구성요소는 판재, 주물 또는 압출재 및 그 조합이 될 수 있다. 예시적인 방식으로, 본 발명은 300 암페어에서 AA 5356 전극을 사용하여 2mm 두께의 두개의 AA 5754-O 판재를 함께 용접하고, 2mm 두께의 AA 6062-T4 판재를 4mm 두께의 두개의 AA 7075-T6 압출재에 접합하도록 성공적으로 실행되었다. 또한 본 발명의 가스금속 매립 아크 용접은 강, 스테인리스강, 티타늄 및 티타늄 합금, 구리 및 구리 합금과 같은 다른 재료로 만들어진 구성요소 사이에 겹치기 침투 접합을 생성하는데도 적합하다. Suitable materials for overlap penetration welding according to the present invention are components of aluminum alloys of the Aluminum Association (AA) using AA alloys as electrodes. The two components can be plate, cast or extruded material and combinations thereof. By way of example, the present invention welds two AA 5754-O plates of 2 mm thickness together using AA 5356 electrode at 300 amperes, and two AA 7075-T6 plates of 2 mm thickness AA 6062-T4 to 4 mm thickness. Successfully bonding to the extrudate was performed. The gas metal buried arc welding of the present invention is also suitable for creating overlapping penetration joints between components made of other materials such as steel, stainless steel, titanium and titanium alloys, copper and copper alloys.
본 발명에 따라 만들어진 겹치기 침투 접합은 접합부 에지에 대한 전극 팁/아크 위치에서의 측면방향 변화를 수용하기 위하여 더욱 느린 용접 이동 속도 및/또는 토치 진동을 요구하는 겹치기 필릿 접합과 같은 다른 접합의 가스금속 아크 용접보다 더 높은 효율로 만들어질 수 있다. 겹치기 필릿 접합의 가스금속 아크 용접의 전형적인 이동 속도는 2.5mm 두께의 구성요소를 용접하기 위해 약 0.6 내지 1.2 미터/분 이지만, 같은 두께의 구성요소에 대해 본 발명에 따른 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접의 이동 속도는 약 1.5 내지 2 미터/분 이다. 게다가, 겹치기 침투 접합에 있어서의 구성요소 에지에 대한 전극 팁/아크의 측면 방향 위치는 다른 접합에 대한 것보다 덜 중요하기 때문에 본 발명은 구성요소에 대한 엄격한 치수 허용 오차에 대한 요구를 회피할 수 있고 조립 절차(즉, 고정 및 용접 절차)를 간소화한다. 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접의 또 다른 장점은 용접 시스템의 이용을 최대화하고 레이저 빔, 전자 빔 및 플라즈마 용접의 겹치기 침투 접합을 위해서 종래에 사용되는 고가의 용접 시스템을 필요로 하지 않고 동일한 용접 장비가 가스금속 매립 아크 용접 및 가스금속 아크 용접 모두에 사용될 수 있다는 것이다. 이것은 동일한 또는 상이한 조립에서 다른 접합(즉, 겹치기 침투 용접과 겹치기 필릿 용접, 티 필릿 용접 등)할 때 두 용접 모드 사이의 전환을 통하여 달성될 수 있다. 또한, 겹치기 침투 접합의 가스금속 매립 아크 용접에 있어서의 더 빠른 이동 속도는 상응하는 두께의 구성요소 사이에 겹치기 필릿 접합 의 가스금속 아크 용접하는 동안에 일어나는 용접에 기인한 전체적인 뒤틀림을 감소시킨다. Overlap joints made in accordance with the present invention are gas metals of other joints, such as overlap fillet joints that require slower welding movement speeds and / or torch vibrations to accommodate lateral changes in electrode tip / arc position relative to the joint edge. It can be made with higher efficiency than arc welding. Typical travel speeds for gas metal arc welding of overlap fillet joints are about 0.6 to 1.2 meters / minute for welding 2.5 mm thick components, but for metals of the same thickness the gas metal buried of the overlap penetration joints according to the invention. The movement speed of arc welding is about 1.5 to 2 meters / minute. In addition, the present invention can avoid the need for strict dimensional tolerances for the components because the lateral position of the electrode tip / arc relative to the component edge in the overlap penetration junction is less important than for other joints. And simplify assembly procedures (ie, fixing and welding procedures). Another advantage of gas-metal buried arc welding of overlap penetration welding is that it maximizes the use of the welding system and does not require expensive welding systems conventionally used for overlap penetration welding of laser beams, electron beams and plasma welding. The equipment can be used for both gas metal buried arc welding and gas metal arc welding. This can be achieved through switching between the two welding modes when making different joints (ie, overlap penetration welding and overlap fillet welding, tee fillet welding, etc.) in the same or different assemblies. In addition, the faster travel speed in gas metal buried arc welding of overlap penetration joints reduces the overall distortion due to welding that occurs during gas metal arc welding of overlap fillet joints between components of corresponding thickness.
적용에 따라, 가스금속 매립 아크 용접되는 겹치기 침투 접합은 포지티브 극성 전극 또는 네거티브 극성 전극으로 DC 전류를 사용하여 제조될 수 있다. 본 발명은 또한 다른 펄스 및 비펄스(예를 들면, 정방형파, AC) 전류 및/또는 와이어 공급 조절 시스템과 함께 실행될 수 있다. 겹치기 침투 접합을 가스금속 매립 아크 용접하는 동안 제어된 용접 개시 및 정지(즉, 일관된 정상적인 품질 및 기하학적인 특성)을 성취하기 위하여, 용접 개시 및 종료 절차를 프로그램할 수 있는 용접 시스템이 사용될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 전극 공급 속도(또는 와이어 공급 속도(WFR:wire feed rate))는 용접 전류와 조화를 이루며, 상이한 두께 및 합금 조합의 함수로서 증가 및 감소하도록 프로그램될 수 있다. 몇몇 예에서, 용접 개시 및 종료 절차는 전극 공급 속도/용접 전류 및 용접 이동 속도를 조화시키도록 프로그램될 수 있다.Depending on the application, the gas metal buried arc welded overlap penetration junction can be fabricated using DC current as either a positive polarity electrode or a negative polarity electrode. The invention may also be practiced with other pulsed and non-pulsed (eg, square wave, AC) current and / or wire supply conditioning systems. In order to achieve controlled welding start and stop (ie, consistent normal quality and geometrical properties) during gas metal buried arc welding of overlap penetration joints, a welding system capable of programming a welding start and end procedure can be used. As shown in FIG. 5, the electrode feed rate (or wire feed rate (WFR)) matches the welding current and can be programmed to increase and decrease as a function of different thicknesses and alloy combinations. In some examples, weld initiation and termination procedures may be programmed to match the electrode feed rate / welding current and weld movement speed.
바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주내에서 다른 방식으로 실시될 수 있다. While the preferred embodiment has been described, the invention can be practiced in other ways within the scope of the appended claims.
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